新工科背景下应用型本科AI+“大学物理”教学探讨*

张春玲

(阳光学院人工智能学院 福建 福州 350015; 福建师范大学物理与能源学院 福建 福州 350117)

达新宇 刘文武 张容娟

(阳光学院人工智能学院 福建 福州 350015)

1 引言

人工智能(AI)是当前信息领域的前沿方向之一，近些年，AI为医疗、交通、商业、航天、农业等领域带来了革命性变革，其中，AI+教育为教育产业的智慧化升级注入新能量.特别地，2017年国务院印发了关于进一步推动人工智能发展的《新一代人工智能发展规划》.《规划》指出 “利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系”[1],这意味着人工智能将成为引领未来教育行业的战略技术.

作为整个自然科学的基础，物理学的发展不仅极大地丰富了人类知识的宝库，而且多次导致了产业革命[2～5]，成为经济发展的高新技术源泉，对人类现代文明和社会进步起了重大的推动作用.大学物理是高等本科院校理工类专业的一门十分重要的通识必修课，大学物理课程涵盖了力学、热学、电磁学、振动和波、波动光学、狭义相对论和量子物理等多方面的内容[6]，该门课程在培养学生分析问题和解决问题的能力、理性思维能力和科技创新能力，增强学生的探索精神和创新意识等方面发挥着重要的作用.然而，大学物理课程知识量大、学时少，目前多数应用型本科高校都在不断压缩大学物理教学课时，使得教学效果不理想，教学质量无法得到保证，甚至部分本科高校的工科专业取消大学物理课程的开设.本文结合具体教学过程对大学物理这门基础课程如何适应应用型人才培养的需要进行了探索与实践.

2 传统教学存在的问题

作为一门理工类专业必修课程，大学物理课程可以说是各学科的基础，但传统课程教学以教师讲授、学生听课为主，且传统教学使得大学物理类课程与其他学科联系还是稍显不足.新工科背景下，传统的课程教学模式局限了高校学生的个人发展.大学物理现有的传统教学存在学生怕物理、学习被动、教师难教等局面.

3 新工科背景下的AI+“大学物理”的教学改革尝试

3.1 丰富教学方法 积极践行应用型人才培养模式

为了更好地提升学生的创新应用意识，大学物理课程教学采用多元化的教学模式[7,8].一般的知识点采用传统的教学模式，由教师通过讲授、实例讲解、板书及在线教学平台的辅助，把教学内容传递给学生，以提高知识传授的效率；针对教学内容的重难点知识，教师以启发式教学模式的方法讲授，对重点内容和学生难以理解的内容要讲清楚讲透，对一般内容可引导学生自学掌握，要多结合工程案例或生活实际案例进行剖析，多设计一些能启发诱导学生思考的教学环节；培养能力的知识点采用项目式、案例式的教学模式，以真实的工程物理应用背景创设学习情境，选取与知识点相关的实际应用案例作为引线导出相应的物理学知识.通过F35战机升力系统的工作方式，让学生更好地理解动量守恒定律.通过翻盖或滑盖手机的控制电路中使用霍尔效应实现的霍尔效应开关，来解释霍尔效应原理及应用.通过智能手机的Qi标准无线充电，讲解和分析电磁感应技术.通过列举直升机后面的螺旋桨的作用、地球自转产生四季节变化、地震会加快地球的自转等例子，继续启发学生应用角动量守恒定律去解释这些生活现象.再如智能手机在拍照时，配合陀螺仪感应器使用，就可以防止由于手抖对拍照质量的影响.在智能手机上，微机电系统(MEMS)传感器在手机导航、方向定位、手机游戏、场景切换、手势识别等有着广泛的应用.通过举出这些贴近实际的例子，既可以理解微机电系统(MEMS)陀螺仪的工作原理，又可以了解到最新最前沿的应用和科技发展，从而激发学生的求知欲望和探索精神，促使他们进行相关问题的思考和研究,从而培养科学探索、开拓创新的积极性.

3.2 AI助力大学物理课程线上教学 推进在线课程建设

智慧教学也称为AI+教学，即利用信息技术把传统课堂教学的优势和网络在线教学的优势结合起来，采用广益教育的“互联网+APP立体化”的移动互联网教育，即融合手机端(九斗APP)+教室端+管理端(运行数据监管)教学应用于一体，实现线上线下高度融合的混合式教学模式，涵盖课前、课中、课后的日常教学全过程[9,10].充分利用网络平台进行在线教学，可以很好解决目前大学物理课程教学总学时不足的问题.在“九斗”Web端进行“云课管理”，上传物理授课视频、音频、课件、练习、讨论问题、物理相关辅导书籍、物理文献资料等，构建自己丰富完善的在线课程资源.通过APP端和Web端，教师可以向学生分享本次课复习内容、下次课的预习内容、重难点、作业习题、注意事项等，教师也可以随时查看每位学生的学习进度及其完成情况.同时九斗APP中搜索“大学物理简明教程”，学生手机端可以免费获得课程配套使用的教材电子书和课程重难点分析等教材资源，真正方便学生随时随地学习.通过线上教学，让学生掌握学习的自主权，不受时空限制，可重复学习，满足不同程度学生的需求，达到因材施教.其中的九斗APP利用虚拟现实和增强现实等技术手段，结合丰富的真实案例资源，切实解决大学物理教学环节中抽象难懂的痛点.例如在波动光学章节，讲解牛顿环这一薄膜干涉现象、原理分析和牛顿环的应用时，通过九斗APP的牛顿环VR资源，以3D动画形式生动呈现牛顿环的实验装置、原理分析、实验过程、应用分析.如图1和图2为AR演示的等厚干涉——牛顿环实验.

图1 选择曲率半径小的平凸透镜时牛顿环干涉图样

图2 选择曲率半径大的平凸透镜时牛顿环干涉图样

通过比较图1和图2可以直观地观察到，牛顿环的半径越大，条纹越密集.另外，随着曲率半径的增大，同一级的干涉条纹半径也增大.借助AR技术，塑造“沉浸式”“交互式”学习环境，可以有效解决传统教学形态中理论教学及实验教学过程的难点和痛点，使学生如临实境地“触摸”那些难再现、难理解、难动作、难进入的抽象知识，让“沉默”的课堂活跃起来.

3.3 通过“每周直播+群辅导+教学平台讨论和答疑” 稳步提升课程教学质量

大学物理课程团队实行“差异化教学”，因材施教，具体实施步骤如下：

(1)数据助手.通过平台数据实时分析，收集学生学习进度.学生可以自主把握，根据自己的进度学习，同时激励自主学习能力比较强的学生加快学习进度.

(2)针对学生提出的教学内容抽象较难理解、抓不住章节重点、习题解答没有思路等问题或不满意的地方，于每周增设数场直播，重点解答教学难点，详细讲解相关的习题解答思路，为学生补缺补漏和解疑答惑，同时，通过直播的学生举手问答的师生互动环节，增进师生情感交流，丰富线上线下的互动交流.

(3)团队作战.根据后台提供的学生学习数据及与学生私下沟通的信息，团队教师加强在线教学的沟通和协作，将每周需要直播讲解的内容(如讲解课程练习作业、各章节重点难点剖析、知识点归纳整理、对学生的疑难问题进行分析与解决等)进行分工合作，利用腾讯课堂老师急速版软件平台，开启“直播补漏”计划，同时没有收看直播的学生，利于其他空余时间可以观看录播回放，旨在做到最大化差异化教学，最大程度顾到落后者.要特别关注网络学习有困难的学生，特别是来自重点疫区、贫困地区、偏远山区以及身体有疾病的学生，适当开展“亲情化”和“个性化”的教学，比如对有困难学生进行一对一的线上辅导与答疑，实现“点对点”交流和帮扶，使其不掉队.

(4)为每一个班级专门建立一个本课程专用 QQ 群，通过QQ电话、分享屏幕、演示白板等QQ群功能，对错误率较高的习题或者大家共性的疑难问题，及时详细讲解、答疑和互动，及时解决学生学习中遇到的问题，当天的问题、难点尽量当天及时得到解决，避免问题的积累.同时通过QQ群及时发布通知每周规定需要学完的教学内容、提醒与督促未能在规定时间内完成学习的学生，实现从课前通知、课中交流到课后督促讨论的全流程的学习辅助.

(5)除了QQ群实时互动外，在本课程的超星教学平台学习通讨论区也可以与学生讨论和答疑互动，与学生保持实时沟通，及时解答学生的困惑，缓解学生的焦虑.

3.4 推进考试方法的改革 注重学生的能力培养与学习过程考核

大学物理课程的总评成绩由平时成绩和期末考试成绩组成，其中平时成绩可由规范练习、问题分组讨论、物理案例分析或调研报告、物理科技小制作、小论文、网络在线学习等教学环节的成绩构成.特别地，线上线下混合教学过程中，通过设置线上谈论区、设置视频观看时间段、线上答辩等方式来加强对学生网络在线学习过程的考核.期末考试采用半开卷考试，半开卷考试具体实施方法为：考试前给每位学生发一张盖章的A4纸大小白纸，允许学生在复习大学物理课程时，手写写上本人认为在考试时需要参考的公式等并带入考场，考试时允许学生查阅该纸所写内容.这A4纸大小考试专用纸不能复印其他同学的，不能粘贴其他纸片，也不能缩印、打印、彩印相关内容.

大学物理涉及的考试内容多，知识点多，采用“半开卷”的期末考试模式，让学生自己去复习整理、总结归纳课程主要内容，倒逼学生主动学习，让学生勤于思考.这样可以减轻学生要死记硬背很多物理公式的负担，通过这种模式来发挥考试的真正作用.对于工科类学生来说，很多物理公式、知识点，不需要学生死记硬背，需要学生学会运用物理知识去分析解决问题.同时学生要平时多认真学习，平时多积累沉淀，只有熟练掌握，才能在考试的时候充分发挥.除了线下考试外，还可以探索以开放式命题方式进行线上考试，比如可采用小论文、报告、演讲视频、演示视频、实际成果的运行数据等形式进行.

4 结论

通过大学物理的学习，可以培养和提高学生在创新创业实践过程中的坚持不懈、开拓创新、勇于探索、实事求是、团队协作的精神素质.本文积极探讨了通过应用型教学模式与方法、学习考核等多方面的改革，让大学物理更好地发挥其在应用型人才培养的促进作用，积极推进新工科的建设.